NTNU的研究人员通过在一些非常明亮的x射线的帮助下制作电影，在小尺度上揭示磁性材料。
Erik Folven, NTNU电子系统系氧化物电子组的联合主任，和来自NTNU和比利时根特大学的同事们开始观察薄膜微磁铁在受到外部磁场干扰时是如何变化的。这项工作部分由挪威理工大学纳米学院和挪威研究委员会资助，发表在《物理评论研究》杂志上。
微小的磁铁
Einar Standal Digernes发明了实验中使用的微小方形磁铁。
由NTNU博士候选人Einar Standal Digernes创造的微小方形磁铁只有两微米宽，分成四个三角形区域，每个区域都有不同的磁性方向，指向磁铁周围的顺时针或逆时针方向。
在某些磁性材料中，较小的原子团聚集在一起形成称为畴的区域，其中所有的电子具有相同的磁性取向。
在NTNU的磁体中，这些磁畴在一个中心点——涡旋核心处相遇，在那里磁矩直接指向材料的平面内或平面外。
“当我们施加磁场时，越来越多的这些畴将指向同一个方向，”Folven说。“它们可以生长，也可以收缩，然后它们可以相互融合。”
电子几乎以光速运动
看到这种情况发生并不容易。研究人员将他们的微磁体带到柏林的一个80米宽的甜甜圈形状的同步加速器，即BESSY II，在那里电子被加速，直到它们以接近光速的速度行进。这些快速移动的电子然后发出非常明亮的x射线。
“我们把这些x射线用作显微镜里的光，”Folven说。
因为电子以两纳秒的间隔在同步加速器周围运动，所以它们发射的x射线以精确的脉冲形式出现。
扫描透射x射线显微镜(STXM)利用这些x射线来创建材料磁性结构的快照。通过将这些快照拼接在一起，研究人员基本上可以制作一部电影，展示微磁铁是如何随时间变化的。
在STXM的帮助下，Folven和他的同事们用电流脉冲扰动他们的微磁体，产生磁场，并观察到畴的形状改变，漩涡核心从中心移动。
他说:“你有一个非常小的磁铁，然后你戳它，试着在它再次固定时成像。”后来，他们看到岩心又回到了中央，但是是一条曲折的小路，而不是一条直线。
“它会跳回中心，”福尔文说。
一不小心就完了
这是因为他们研究的是外延材料，这种材料是在衬底上制造的，研究人员可以调整材料的特性，但会阻挡STXM中的x射线。
在南京科技大学纳米实验室，研究人员通过将他们的微磁铁埋在一层碳下面来保护其磁性，从而解决了衬底问题。
然后，他们用聚焦的镓离子束仔细而精确地削去下面的衬底，直到只剩下一层非常薄的衬底。这个艰苦的过程每个样本可能需要8个小时，一个失误就可能带来灾难。
他说:“关键是，如果你抹杀了吸引力，我们在柏林开会之前都不会知道。”“当然，诀窍是要带不止一个样品。”
从基础物理到未来设备
幸运的是，它起作用了，研究小组使用他们精心准备的样品来绘制微磁铁的区域如何随着时间的推移而增长和缩小。他们还创建了计算机模拟，以更好地了解是什么力量在起作用。
了解磁性在这些长度和时间尺度上是如何工作的，这有助于我们提高对基础物理的认识，也有助于我们创造未来的设备。
磁性已经被用于数据存储，但研究人员目前正在寻找进一步利用它的方法。例如，涡旋核的磁性方向和微磁体的磁畴或许可以用来编码0和15形式的信息。
研究人员现在的目标是在反铁磁材料上重复这项工作，在这种材料上，单个磁矩的净效应可以抵消。从理论上讲，反铁磁材料可以用来制造不需要多少能量的设备，即使断电也能保持稳定，但研究起来要棘手得多，因为它们产生的信号要弱得多。
尽管面临挑战，福尔文还是很乐观。他说:“通过展示我们可以制作样品并通过x射线进行观察，我们已经迈出了第一步。”“下一步将是看看我们是否能制作出足够高质量的样本，从反铁磁材料中获得足够的信号。”
发布时间:2021年5月10日